Дифракційні решітки

Оптичні дисперсійні елементи · Спектроскопія · Лазери · Телекомунікації · Джерело: PhotonLab

Дифракційні решітки є ключовими оптичними компонентами в широкому діапазоні застосувань, включаючи спектрометри, інші аналітичні прилади, телекомунікації та лазерні системи. Решітка містить мікроскопічну структуру з періодичними борозенками, яка розділяє падаюче світло на кілька шляхів променів через дифракцію, змушуючи світло різних довжин хвиль поширюватися в різних напрямках. Це робить дифракційну решітку функціонально подібною до дисперсійної призми, хоча призма розділяє довжини хвилі за -заломленням, що залежить від довжини хвилі, а не за дифракцією (рис. 1).

Малюнок 1. Дисперсійна призма розділяє довжини хвилі шляхом заломлення (вгорі), тоді як дифракційна решітка розділяє довжини хвилі шляхом дифракції завдяки структурі поверхні (внизу).

Світло, що падає на гратку, дифрагує відповідно до рівняння решітки:

тут,mє цілим числом, що описує дифракційний (або спектральний) порядок,λце довжина хвилі світла,d– відстань між пазами на решітці, – кут падіння, а кут дифракції світла, що виходить з решітки. Конструктивна інтерференція різних дифрагованих хвильових фронтів виникає при цілих кратних довжині хвилі, тому в рівнянні (1) з’являється «m».mвизначає порядок дифракції:m= 1 називається дифракцією першого-порядку,m= 2 – це дифракція другого-порядку тощо (рис. 2). Якщоm= 0, світло або безпосередньо відбивається від решітки, або пропускається через неї, залежно від того, чи є вона відбивною чи трансмісійною; це називається дифракцією нульового-порядку. На відміну від дисперсійної призми, коротші хвилі завжди ближчі до прямо відбитого або пропущеного світла-в цьому випадку 0-го порядку. Між різними замовленнями існує певне перекриття. Усі кути вимірюються від нормалі до решітки (перпендикулярної до решітки).

Рисунок 2. Частина світла відбивається безпосередньо як дифракція 0-порядку, тоді як інші частини падаючого світла дифрагують під кутами першого-порядку залежно від довжини хвилі. Менші величини поділяються на дифракції 2-го- та 3-го-порядків із вищим{5}}кутом.

Що врахувати при виборі решітки

При виборі решітки важливо вказати діапазон довжин хвиль, довжину хвилі спалаху (довжина хвилі з найвищою ефективністю в дифрагованому спектрі) і кут спалаху. Кут спалаху описує-кут дифракції першого порядку довжини хвилі спалаху. Під цим кутом і в рівнянні (1) рівні, і падаюче світло дифрагує назад у тому напрямку, звідки воно прийшло. Ця умова також називається конфігурацією Літтроу. Робота поблизу цього кута дає найвищу ефективність.

Зазвичай вказується щільність канавок або частота канавок. Це обернене відстань між пазамиd. Ключовою властивістю оптичної системи є її дисперсія, але це залежить як від властивостей решітки, так і від способу її використання. Без інших системних деталей, одній решітці не можна призначити таке правило, як «певне обертання відповідає певному розподілу довжин хвиль». Роздільну здатність решітки також можна вказати, і вона стосується спектральної роздільної здатності системи. Однак ця роздільна здатність залежить як від решітки, так і від вхідних і вихідних щілин системи. Роздільна здатність решіткиRзалежить від спектрального порядкуmі кількість борозен при освітленніN:

Зазвичай освітлюється стільки канавок, що вхідні та вихідні щілини-а не решітка-обмежують роздільну здатність системи. Криві ефективності також можна використовувати для перевірки рівня дифракції на всіх довжинах хвиль, що використовуються в програмі.

Гратка повинна бути принаймні такого ж розміру, як конус або промінь падаючого світла; інакше світло з країв буде втрачено. Таким чином, решітка завжди має бути недоповнена, щоб запобігти відбіюванню розсіяного світла навколо системи та створенню помилкових сигналів.

Типи решіток

Решітки відбиття проти решіток пропускання

Дві найширші категорії - це решітки відбивання та решітки пропускання. На малюнках 1 і 2 показані відбивні решітки: по суті дзеркала з мікроскопічними борозенками. Усі дифраговані порядки відбиваються від решітки під різними кутами. Пропускаюча решітка схожа на лінзу з мікроскопічними борозенками: усі дифраговані порядки проходять через решітку, але зміщені на кути, вказані в рівнянні (1).

Лінійчасті решітки проти голографічних решіток

Як відбивні, так і трансмісійні решітки можна далі розділити на лінійчасті та голографічні решітки, які відрізняються способом створення профілів канавок. У лінійчатих решітках канавки механічно вигравірувані або вирізані в компоненті. У голографічних решітках канавки вводяться оптично: світлочутливий матеріал, який називається фоторезистом, наноситься на підкладку та піддається впливу оптичної інтерференційної картини. Залишок фоторезисту потім видаляється хімічним шляхом, залишаючи решітку. Лінійчасті решітки зазвичай мають трикутні канавки (рис. 3), тоді як голографічні решітки зазвичай мають синусоїдальні канавки (рис. 3 і 4).

Рисунок 3. Лінійчасті дифракційні решітки зазвичай мають трикутні канавки. Стрілка на решітці: напрямок полум'я.

Рисунок 4. Голографічні дифракційні решітки зазвичай мають синусоїдальні канавки.

Решітки Ешель

Ешелле-гратка характеризується більшим інтервалом між борозенками або меншою щільністю канавок, ніж звичайні решітки-зазвичай приблизно в 10×, а іноді й до 100×. Освітлення ешеле-гратки під високим кутом падіння ( ) забезпечує високу дисперсію, високу роздільну здатність і низьку поляризаційну -ефективність. Ці решітки добре підходять для застосувань, що вимагають високої роздільної здатності, наприклад для чутливих астрономічних інструментів і систем, які прагнуть роздільної здатності-на атомному рівні.

Плоскі решітки проти увігнутих решіток

Усі перераховані вище типи решіток можна далі розділити на плоскі та увігнуті решітки, що описує їх загальну форму. Плоскі решітки плоскі і більш поширені. Якщо канавки прямі й однаково віддалені, решітка плоска, а падаюче світло колімовано, то все дифраговане світло залишається колімованим. Це корисно в багатьох програмах, оскільки властивості фокусування системи стають незалежними від довжини хвилі. У порівнянні з увігнутими гратами плоскі решітки також зазвичай зменшують складність системи. Увігнуті решітки вигнуті, тому вони або сходяться, або розходяться в світлі. Це корисно для зменшення загальної кількості оптичних компонентів у системі, але тоді властивості фокусування залежать від довжини хвилі.

Решітка аплікації

Монохроматори

Монохроматор використовує увігнуту або плоску решітку разом із дзеркалами для виділення вузької смуги падаючого світла. Якщо джерело білого-світла потрапляє в такий пристрій, воно відфільтровує всі довжини хвиль, крім призначеної вузької смуги випромінювання. На малюнку 5 показано, як монохроматор обертає решітку так, щоб різні довжини хвиль проходили через вихідну щілину, тоді як усі інші довжини хвиль блокувалися.

Малюнок 5. Монохроматор із плоскою-ґраткою (угорі) і монохроматор із увігнутою{2}}граткою (внизу) обертають гратку для сканування порядків дифракції через вихідну щілину та точного визначення довжин хвиль, які можуть виходити з пристрою.

Спектрометри

Як і монохроматори, спектрометри розділяють довжини хвиль широкосмугового джерела, але вони не мають рухомих частин. Замість цього всі розділені довжини хвилі одночасно зображуються на матриці детекторів (рис. 6). Кожна довжина хвилі відображається на іншому наборі пікселів, що дозволяє пристрою визначити, скільки кожної довжини хвилі існує в широкосмуговому джерелі. Спектрометри зазвичай використовуються, коли потрібен швидкий спектральний аналіз, оскільки немає необхідності сканувати довжини хвилі через детектор, що економить час.

Малюнок 6. Спектрометр із плоскою{1}}ґраткою (верхній) і спектрометр із увігнутою{2}}граткою (нижній) використовують фіксовану решітку для розділення падаючих довжин хвиль на різні пікселі масиву детектора.

Лазерний тюнінг

Існує кілька способів використання дифракційної решітки для налаштування спектрального виходу лазера або звуження його вихідної смуги. Решітку можна обертати так, що лише певний порядок дифракції залишає лазер; решітка може залишатися нерухомою, а дзеркало обертається для фільтрації вихідної смуги; або решітка може замінити дзеркало всередині лазера, щоб звузити вихідну смугу (рис. 7).

Малюнок 7. Ці три налаштування показують різні способи використання решітки для налаштування вихідної довжини хвилі лазера або звуження діапазону вихідної довжини хвилі.

Розтягування, стиснення та посилення лазерного імпульсу

Короткі лазерні імпульси, такі як надшвидкі імпульси, часто мають високу пікову потужність, яка може пошкодити чутливі оптичні покриття та компоненти. Щоб уникнути цього, іноді використовується пара дифракційних решіток для розтягування імпульсу, збільшення його тривалості та зменшення пікової потужності. Потім розтягнутий імпульс може пройти через оптичний підсилювач і отримати потужність, не пошкоджуючи жодних оптичних компонентів. Інша пара решіток у зворотній конфігурації може стискати тривалість імпульсу після підсилення, створюючи короткий імпульс високої -потужності на цілі (рис. 8).

Рисунок 8. Грати можна використовувати в імпульсних лазерних системах як для збільшення тривалості імпульсу-для запобігання-індукованого лазером пошкодження-і для зменшення тривалості імпульсу, створюючи високо-імпульси потужності на цілі.